DE4336608C2

DE4336608C2 - Schaltungsanordnung zum Schutz elektrodynamischer Lautsprecher gegen mechanische Überlastung durch hohe Schwingspulenauslenkung

Info

Publication number: DE4336608C2
Application number: DE4336608A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Klippel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-10-27
Filing date: 1993-10-27
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2013-10-28
Also published as: US5577126A; DE4336608A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz elektrodynamischer Schallsender vor der Zerstörung bei großen Amplituden der Schwingspulenauslenkung. Die Anordnung ist in den elektrischen Übertragungsweg des Schallsenders geschalten und bewirkt eine Veränderung des Antriebssignales falls die Amplitude der Schwingspulenauslenkung einen zulässigen Grenzwert überschreitet und eine Zerstörung des Schallsenders droht.

Die maximal zulässige Auslenkung der Membran eines elektrodynamischen Lautsprechers ergibt sich aus der konstruktiven Gestaltung der Schwingspule, des Magnetsystemes und der mechanischen Aufhängung. Bei vielen Lautsprechersystemen kann ein tieffrequentes elektrisches Anregungssignal, dessen Leistung noch unterhalb der vom Hersteller angegebenen elektrischen Belastbarkeit des Lautsprechers liegt, eine Auslenkung erzeugen, die die Funktionstüchtigkeit des Lautsprechers gefährdet. Durch eine veränderte konstruktive Gestaltung läßt sich die Belastbarkeit erhöhen, jedoch vergrößert sich hierbei auch die Masse und das Gehäusevolumen des Schallsenders. Diese Lösung ist bei professionellen Beschallungsaufgaben unbefriedigend und löste die Entwicklung von elektrischen Schutzsystemen aus. In diesen Systemen wird die Auslenkung der Schwingspule des Schallsenders mit einer Meßeinrichtung überwacht, das Meßsignal in einer Steuerschaltung mit einem zulässigen Grenzwert verglichen und im Fall der Überschreitung des Grenzwertes ein Stellglied im elektrischen Übertragungsweg des Lautsprechers aktiviert.

Die direkte Messung der Auslenkung der Schwingspule erfordert einen speziellen Sensor. Zweckmäßiger ist es, den Lautsprecher zu modellieren und die Meßeinrichtung als ein elektrisches Filter auszuführen, das aus dem elektrischen Antriebssignal ein auslenkungsäquivalentes Signal erzeugt. Das Filter ist ein Tiefpaß zweiter Ordnung für einen Lautsprecher in einem geschlossenen Gehäuse bzw. Tiefpaß vierter Ordnung für einen Lautsprecher mit Baßreflexsystem. Oberhalb der Resonanzfrequenz des Treiberlautsprechers fällt die Auslenkung mit 12 dB pro Oktave ab.

Als Stellglieder eignen sich steuerbare lineare Übertragungssysteme. In aktiven Lautsprechersystemen mit getrenntem Baß-, Mittelton-, und Hochtonlautsprechern kann zum Schutz des Baßlautsprechers ein gesteuerter Verstärker eingesetzt werden, der ausschließlich das bandbegrenzte Signal des Baßlautsprechers verändert.

Zum Schutz des Lautsprechers gegen vorrangig thermische Überlastung wurden Schaltungsanordnungen in den US-Patenten Nr. 4490770, 4330686, 4301330, 4296278 und 3890465 vorgeschlagen. Bei Lautsprechersystemen, die ein breitbandiges Signal übertragen, ist es günstiger, entsprechend dem US-Patent Nr. 04583245 von W. Gelow, ein Filter mit steuerbaren Übertragungseigenschaften als Stellglied zu benutzen. In der Veröffentlichung von Klippel, W.: The Mirror Filter - a New Basis for Reducing Nonlinear Distortion Reduction and Equalizing Response in Woofer Systems, J. Audio Eng. Soc. 32 (9), S. 675-691, (1992) wird ein Hochpaßfilter mit veränderlicher Eckfrequenz als Stellglied eingesetzt. Ist das Stellglied nicht aktiviert, so liegt die Eckfrequenz an der unteren Übertragungsgrenze des Systems. Über den Steuereingang des Hochpasses kann die Eckfrequenz erhöht und ausschließlich die Spektralanteile des Signals bedämpft werden, die die Auslenkung maßgeblich bestimmen. Allerdings zeigt der praktische Einsatz eines Hochpasses mit steuerbarer Eckfrequenz in einem Schutzsystem auch einige Nachteile:

- Im nichtaktivierten Zustand beeinträchtigt der Hochpaß das Übertragungsverhalten des Gesamtsystems.
- Wird der Hochpaß im nichtaktivierten Zustand auf eine ausreichend tiefe Eckfrequenz (unter 20 Hz) eingestellt, so ergeben sich bei Erhöhung der Eckfrequenz hohe Ausschwingzeiten für die bedämpften tieffrequenten Signalbestandteile. Bei Einschaltvorgängen von tieffrequenten Signalen hoher Amplitude führt die zusätzliche Reaktionszeit des Stellgliedes dazu, daß die resultierende Auslenkung den geforderten Grenzwert erheblich überschreitet.

Diese Nachteile sollen durch die hier vorgestellte Erfindung beseitigt werden.

Es ist das Ziel der Erfindung, eine Schaltungsanordnung für elektroakustische Schallsender zu entwickeln, die in den elektrischen Übertragungsweg geschalten ist und einen Schutz des Lautsprechers gegen mechanische Zerstörung durch hohe Schwingspulenauslenkungen bewirkt. Ist die Auslenkung der Schwingspule kleiner als ein vorgegebener Schwellwert S, dann soll die Schutzschaltung eine Übertragungsfunktion H_s(s) = 1 besitzen, d. h. keinerlei lineare oder nichtlineare Verzerrungen im übertragenen Signal erzeugen. Übersteigt die momentane Auslenkung den Schwellwert S, dann soll die Schutzschaltung das Antriebssignal so verändern, daß die Auslenkung der Schwingspule nach einer möglichst kurzen Reaktionszeit den geforderten Schwellwert einhält. Bei transienten Signalveränderungen soll nach der systembedingten Reaktionszeit die Schutzschaltung keine nichtlinearen Signalverzerrungen erzeugen und lediglich tieffrequente Signalbestandteile dämpfen, die die Auslenkung der Schwingspule entscheidend bestimmen. Die Schutzschaltung soll mit wenigen einfachen Elementen realisierbar sein und kein steuerbares Filter als Stellglied verwenden.

Zur Lösung dieser Aufgabe enthält die Schutzschaltung ein Referenzfilter, einen Addierer, einen Multiplizierer, eine Steuerschaltung und gegebenenfalls ein zusätzliches Korrekturfilter. Sowohl das Referenzfilter als auch das zusätzliche Korrekturfilter besitzen ein lineares, zeitinvariantes Übertragungsverhalten. Das Referenzfilter ist ein Tiefpaß, dessen Parameter (Eckfrequenz und Güte) mit den Parametern des angekoppelten Lautsprechers übereinstimmen. Der Eingang des Filters ist mit dem Ausgang der Schutzschaltung und somit mit dem Eingang des Schallsenders verbunden. Das Filter wirkt als eine Art Meßeinrichtung, die am Ausgang ein Signal x(t) erzeugt, das der Auslenkung der Schwingspule entspricht. Der Eingang der Schutzschaltung ist über den Addierer unter Benutzung eines seiner beiden Eingänge mit dem Ausgang der Schutzschaltung verbunden. Zwischen dem Ausgang des Filters und dem anderen Eingang des Addierers wird mit Hilfe des Multiplizierers und der Steuerschaltung ein nichtlinearer Rückkopplungszweig realisiert. Hierbei ergeben sich zwei Ausführungsvarianten:

1. Ohne Verwendung eines zusätzlichen Korrekturfilters ist der Ausgang des Refenenzfilters sowohl direkt mit dem ersten Eingang des Multiplizierers als auch über die Steuerschaltung mit dem zweiten Eingang des Multiplizierers verbunden.
2. In der alternativen Variante ist der Ausgang des Refenenzfilters sowohl über das Korrekturfilter mit dem ersten Eingang des Multiplizierers als auch über die Steuerschaltung mit dem zweiten Eingang des Multiplizierers verbunden.

Der Ausgang des Multiplizierers ist mit dem anderen Eingang des Addierers verschalten. Der Multiplizierer erweist sich in dieser Schutzschaltung als das eigentliche Stellglied, das frequenzunabhängig und trägheitslos reagiert.

Die Steuerschaltung ist ein dynamisches, nichtlineares System mit der Übertragungscharakteristik

α(t) = F(x(t)) (1)

zwischen ihrem Eingang und Ausgang. Die Steuerschaltung realisiert die Ansprechcharakteristik der Schutzschaltung und liefert das Steuersignal α(t) zur Aktivierung des Rückkopplungszweiges. Das Steuersignal α(t) weist vor allem tieffrequente Signalbestandteile auf. Für ein stationäres Eingangssignal u(t) der Schutzschaltung nimmt α(t) sogar einen konstanten Wert an. Die Systemeigenschaften dieser Schutzschaltung und die Anforderungen an die Steuerschaltung soll im folgenden hergeleitet werden:

Für die erste Realisierungsvariante ohne zusätzliches Korrekturfilter ist die Übertragungsfunktion der Schutzschaltung zwischen ihrem Eingang und Ausgang

wobei H_x(s) die Übertragungsfunktion des Referenzfilters ist. Für einen Lautsprecher im geschlossenen Gehäuse ergibt sich die folgende Übertragungsfunktion des Referenzfilters

mit der Resonanzfrequenz ω_L=2πf_L und der Güte Q. Ist das Ausgangssignal der Steuerschaltung α(x)=0, so sind Eingangs- und Ausgangssignal der Schutzschaltung identisch. Die aktivierte Schutzschaltung (α(t)<0) soll mit Hilfe der Übertragungsfunktion

des Gesamtsystems untersucht werden, die den Zusammenhang zwischen dem laplacetransformierten elektrischen Signal u(t) am Eingang der Schutzschaltung und der resultierenden Auslenkung x(t) beschreibt. Unter Verwendung von Gl. (2) und Gl. (3) ergibt sich

mit der resultierenden Eckfrequenz

und Güte

Die Struktur der Gl. (5) zeigt, daß das Gesamtsystem ebenfalls eine Tiefpaßcharakteristik besitzt. Allerdings verändert das Steuersignal α(t) die Verstärkung im Durchlaßbereich, die Resonanzfrequenz und die Güte des Systems. Um bei Aktivierung des Rückkopplungszweiges eine Verminderung der Auslenkung zu erzielen, muß das Steuersignal negative Werte (α(t)<0) annehmen. Neben der gewünschten Verminderung der Verstärkung, dem Anstieg der Eckfrequenz verändert sich leider auch die Güte des Gesamtsystems. Der Anstieg der Güte mit zunehmender Aktivierung der Schutzschaltung kann im Rahmen der alternativen Ausführungsvariante, durch Einsatz eines zusätzlichen Korrekturfilters mit der Übertragungsfunktion

H_k(s) = Ls + 1, (8)

verhindert werden. Gl. (8) beschreibt die Parallelschaltung eines konstanten direkten Zweiges und eines Differenzierers mit der Verstärkung L. Die Übertragungsfunktion der Schutzschaltung mit Korrekturfilter

in Verbindung mit Gl. (3) führt zu einem Gesamtsystem mit veränderlicher Tiefpaßcharakteristik, für die ebenfalls die Gln. (5) und (6) gelten. Das zusätzliche Korrekturfilter beeinflußt über den Parameter L allerdings die Veränderung der Güte

Durch geeignete Wahl des Parameters (L0) läßt sich in dem interessierenden Aussteuerungsbereich der Schutzschaltung eine geringfügige Veränderung oder eine sogar vorteilhafte Verminderung der Gesamtgüte realisieren. Für einen positiven Parameter L und stets negativen Parameter α bleibt das Gesamtsystem stabil.

Die praktische Ausführung soll an Hand der folgenden Abbildungen näher erläutert werden:

Fig. 1 Schutzschaltung ohne Korrekturfilter.

Fig. 2 Schutzschaltung mit Korrekturfilter.

Fig. 3 Ausführungsbeispiel für eine Schutzschaltung mit Korrekturfilter.

Fig. 1 zeigt die Ausführung der Schutzschaltung ohne Korrekturfilter. Die Schutzschaltung (1) ist mit ihrem Ausgang (2) an die elektrischen Klemmen eines Lautsprechersystems mit geschlossenem Gehäuse (3) angekoppelt. Der Eingang (4) der Schutzschaltung ist mit der Signalquelle verbunden. Die Schutzschaltung enthält einen Addierer (5), ein Referenzfilter (6), eine Steuerschaltung (7) und einen Multiplizierer (8). Das Referenzfilter (6) ist entsprechend dem angekoppelten Lautsprecher ein Tiefpaß zweiter Ordnung, dessen Eckfrequenz und Güte mit der Resonanzfrequenz und Güte des Lautsprechers übereinstimmen. Der Signaleingang (4) der Schutzschaltung ist mit dem ersten Eingang des Addierers (5) verbunden. Der Ausgang des Addierers ist sowohl mit dem Signalausgang (2) der Schutzschaltung als auch mit dem Eingang des Referenzfilters verbunden. Der Ausgang des Referenzfilters (6) ist sowohl direkt mit dem ersten Eingang des Multiplizierers (8) als auch über die Steuerschaltung (7) mit dem zweiten Eingang des Multiplizierers verbunden. Der Ausgang des Multiplizierers ist mit dem zweiten Eingang des Addierers verknüpft.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführung der Schutzschaltung mit Korrekturfilter. Die Schutzschaltung (9) ist mit ihrem Ausgang (10) an die elektrischen Klemmen eines Lautsprechersystems mit geschlossenem Gehäuse (3) angekoppelt. Der Eingang (11) der Schutzschaltung ist mit der Signalquelle verbunden. Die Schutzschaltung enthält einen Addierer (12), ein Referenzfilter (13), eine Steuerschaltung (14), einen Multiplizierer (15) und ein zusätzliches Korrekturfilter (16). Das Referenzfilter (13) ist entsprechend dem verwendeten Lautsprecher ein Tiefpaß zweiter Ordnung, dessen Eckfrequenz und Güte mit der Resonanzfrequenz und Güte des Lautsprechers übereinstimmen. Der Signaleingang (11) der Schutzschaltung ist mit dem ersten Eingang des Addierers (12) verbunden. Der Ausgang des Addierers ist sowohl mit dem Signalausgang (10) der Schutzschaltung als auch mit dem Eingang des Referenzfilters verbunden. Der Ausgang des Referenzfilters (6) ist sowohl mit dem Eingang des Korrekturfilters (16) als auch mit dem Eingang der Steuerschaltung (14) verbunden. Der Ausgang der Steuerschaltung und der Ausgang der Steuerschaltung sind jeweils mit einem Eingang des Multiplizierers (15) verbunden. Der Ausgang des Multiplizierers ist mit dem zweiten Eingang des Addierers verknüpft.

Fig. 3 entspricht Fig. 2, zeigt jedoch eine detaillierte Ausführung der Steuerschaltung (14) und des Korrekturfilters (16). Die Steuerschaltung (14) enthält ein statisches nichtlineares Übertragungsglied (19) und einen Integrierer (20), die in Kette zwischen dem Eingang und Ausgang der Steuerschaltung verschalten sind. Die nichtlineare Übertragungscharakteristik

kann als Schwellwertschalter z. B. mit einem Diodennetzwerk realisiert werden. Der dem nichtlinearen Übertragungsglied nachgeschaltete Integrierer (20) führt eine selbständige Entladung aus (leakage integrator). Da das Ausgangssignal z(t) des Übertragungsgliedes (19) niemals positiv ist, können für den An- und Abklingvorgang unterschiedliche Zeitkonstanten realisiert werden.

Die Anstiegszeit wird relativ kurz gewählt, um eine kurze Reaktionszeit der Schutzschaltung und ein möglichst kleines Überschwingen der Auslenkung x über den Schwellwert S bei transienten Signalen zu erreichen. Die Abklingzeit des Integrators (35), wird jedoch so groß gestaltet (<1s), daß Modulationen des Audiosignales durch das Steuersignal unhörbar sind.

Das Korrekturfilter (16) enthält einen Differenzierer (17) und einen Addierer (18). Der Eingang des Korrekturfilters ist sowohl direkt mit dem ersten Eingang des Addierers (18) als auch über den Differenzierer mit dem zweiten Eingang des Addierers verbunden. Der Ausgang des Addierers ist mit dem Ausgang des Korrekturfilters verknüpft. Der Differenzierer kann durch einen Hochpaß erster Ordnung mit ausreichend hoher Eckfrequenz (f₀<1 kHz) mit Hilfe einer RC- Kombination realisiert werden.

Die Erfindung wurde am Beispiel eines diskreten, analogen Schaltungsnetzwerkes ausgeführt. Der heutige Stand der Technik erlaubt es, dieses Schutzsystem in einem digitalen Signalprozessorsystem zu implementieren. Additionen und Multiplikationen können mit dem zur Verfügung stehenden Befehlsvorrat direkt ausgeführt werden. Das Referenzfilter wird zweckmäßigerweiser als rekursives, digitales Filter (IIR-Filter) implementiert. Das nichtlineare Übertragungsglied kann durch Berechnung der Gl. (11) oder mit Hilfe einer Tabelle realisiert werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit wenigen Bauelementen oder Rechenbefehlen ein wirkungsvoller mechanischer Überlastungsschutz für Lautsprecher realisiert werden kann. Ein Filter mit festen Übertragungseigenschaften dient sowohl als Meßeinrichtung zur Bestimmung des auslenkungsäquivalenten Signales als auch zur Veränderung des Eingangsignales im Überlastfall. Als Stellglied ist lediglich ein Multiplizierer erforderlich, der eine trägheitslose Steuerung des Rückkopplungszweiges erlaubt. Mit Hilfe dieser Schutzschaltung kann der Arbeitsbereich des Lautsprechers besser ausgenutzt, die erforderliche Leistungsreserve (head room) vermindert und mit Lautsprechern, die kleinere Gehäuseabmessungen und ein geringeres Gewicht besitzen, der erforderliche Schalldruckpegel erzeugt werden.

Die benutzten Symbole bedeuten:

u(t)
Eingangssignal der Schutzschaltung,
u_L(t)	Klemmenspannung am Lautsprecher,
x(t)	Schwingspulenauslenkung,
α(t)	Ausgangssignal der Steuerschaltung,
z(t)	Ausgangssignal des nichtlinearen Übertragungsgliedes,
ω_L=2πf_L	Resonanzfrequenz des Lautsprechersystems,
Q	Güte des Lautsprechersystems,
Q_s	Güte des Gesamtsystems (Lautsprecher mit aktivierter Schutzschaltung),
ω_s=2πf_s	Eckfrequenz des Gesamtsystems,
s	Laplaceoperator,
H_x(s)	Übertragungsfunktion des Referenzfilters,
H_k(s)	Übertragungsfunktion des Korrekturfilters.

Claims

1. Anordnung zum Schutz elektrodynamischer Lautsprecher vor der mechanischen Zerstörung bei großen Schwingspulenauslenkungen mit Hilfe einer Schutzschaltung, die unter Benutzung ihres Signaleinganges und Signalausganges in den elektrischen Übertragungsweg geschalten ist, d. h. ausgangsseitig mit den elektrischen Klemmen des Lautsprechers verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung ein Referenzfilter, einen Addierer, einen Multiplizierer und eine Steuerschaltung enthält, der Eingang der Schutzschaltung über den Addierer unter Benutzung eines seiner beiden Eingänge mit dem Ausgang der Schutzschaltung verbunden ist, der Ausgang der Schutzschaltung mit dem Eingang des Referenzfilters verschalten ist, der Ausgang des Referenzfilters sowohl oder über ein zusätzliches Korrekturfilter mit dem ersten Eingang des Multiplizierers verbunden ist, der Ausgang der Steuerschaltung mit dem zweiten Eingang des Multiplizierers und der Ausgang des Multiplizierers mit dem anderen Eingang des Addierers verbunden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Referenzfilters mit dem Eingang der Steuerschaltung verbunden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung zwischen ihrem Eingang und Ausgang eine Kettenschaltung enthält, die aus einem statischen, nichtlinearen Übertragungsglied und einem nachgeschalteten linearen Tiefpaß oder Integrierer besteht, das nichtlineare Übertragungsglied eine solche Kennlinie besitzt, daß das Eingangssignal gleichgerichtet wird und das Ausgangssignal gleich Null ist solange das Eingangssignal x(t) unter einem Schwellwert S liegt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzfilter eine solche Tiefpaßcharakteristik besitzt, daß das Ausgangssignal des Referenzfilters der Auslenkung der Schwingspule entspricht.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturfilter aus einem Differenzierer und einem Addierer besteht, der Eingang des Korrekturfilters sowohl mit dem ersten Eingang des Addierers als auch über den Differenzierer mit dem zweiten Eingang des Addierers verbunden ist und der Ausgang des Addierers mit dem Ausgang des Korrekturfilters verbunden ist.